ANALISADOR AUTÔNOMO DE QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA COM PROCESSAMENTO EM SOFTWARE

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1 UNIVERSIDADE POSITIVO NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO ANALISADOR AUTÔNOMO DE QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA COM PROCESSAMENTO EM SOFTWARE Fernando Oliveira da Silva Monografia apresentada à disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação, orientada pelo Prof. Amarildo Geraldo Reichel. UP/NCET Curitiba 2008

2 TERMO DE APROVAÇÃO Fernando Oliveira da Silva Analisador Autônomo de Qualidade da Energia Elétrica com Processamento em Software Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da Computação da Universidade Positivo, pela seguinte banca examinadora: Prof. Amarildo Geraldo Reichel (Orientador) Prof. Alessandro Brawerman Prof. Mauricio Perreto Curitiba, 3 de Dezembro de 2008.

3 AGRADECIMENTOS Sem o auxílio de várias pessoas, com certeza este projeto não seria possível. Gostaria em primeiro agradecer meus pais por me guiarem até o início da minha vida acadêmica me dando base para enfrentar todos os desafios, mesmo eles não tendo a oportunidade de concluir um ensino superior. Agradeço também meus padrinhos por me darem a formação moral e profissional para que eu pudesse enfrentar o mundo. Para este projeto, eu agradeço especialmente o pessoal da Consilux, principalmente meu irmão Leandro e meu amigo Guilherme, por várias horas de solda, também agradeço o Diego, por permitir a utilização de várias horas de trabalho para conclusão desse projeto.

4 RESUMO Este projeto auxilia na análise da qualidade na energia elétrica coletando informações de tensão e corrente da rede elétrica, armazenando-as em um cartão de memória, para posteriormente serem processadas em um computador. Com o auxílio de um software especialmente desenvolvido para o projeto, as informações armazenadas no cartão de memória são carregadas e analisadas através de gráficos de tensão, corrente, potência e um relatório completo dos distúrbios registrados na rede de energia elétrica monitorada. Palavras chave: Analisador de tensão, Analisador de Corrente, Qualidade da Energia Elétrica

5 STANDALONE POWER LINE QUALITY ANALYZER WITH SOFTWARE PROCESSING ABSTRACT This project can be help on analysis of power line quality collecting information of voltage and current signals from the power line and store then on a memory card, so later with this saved information on memory card, this information can be transferred to computer. On specialized software develop for this project, will be load and analyze this information and make a voltage, current, averaged supply and a complete power line disturb report. Key words: Voltage analyzer, Current analyzer, Power Quality.

6 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE SIGLAS LISTA DE SÍMBOLOS CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Alimentação CA Sensores de Corrente Conversor A/D Amplificador Operacional Microcontrolador Memória não Volátil SPI FAT Qualidade da Energia Elétrica Distúrbios de Alta Freqüência na Rede Elétrica Harmônicos e Distorções da forma de onda Sags e swells CAPÍTULO 3 - ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO Valores Absolutos do Projeto CAPÍTULO 4 - DESENVOLVIMENTO E IMPLEMENTAÇÃO Descrição Geral dos Módulos: Projeto do Hardware Desenvolvimento do Hardware Requisitos do Software Projeto do Software Desenvolvimento do Software CAPÍTULO 5 - VALIDAÇÃO E RESULTADOS Requisito

7 5.2 Requisito Requisito Requisito Requisito Requisito Requisito CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO CAPÍTULO 7 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 55

8 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Geração de Corrente Alternada Figura 2 - Sensor de corrente por efeito Hall Figura 3 - Amostragem de um sinal analógico Figura 4 Esquema de uma Amplificador Operacional na forma subtrator Figura 5 - Microcontrolador C8051F Figura 6 - Comunicação Master/Slave Figura 7 - Impulsos unidirecionais Figura 8 Transientes Figura 9 - Sinal distorcido Figura 10 - Representação da distorção por duas senóides Figura 11 Fluxo geral do sistema Figura 12 Interfaces Externas Figura 13 Sub-blocos do Kit de Coleta Figura 14 - Esquema da Fonte de Alimentação Figura 15 - Esquema do Redutor de Tensão e Adaptador de Sinal Figura 16 - Esquema do Redutor de Tensão para o Sensor de Corrente Figura 17 - Kit de desenvolvimento do microcontrolador Figura 18 Esquema da Interface com o cartão de memória SD Figura 19 - Diagrama de Funcionamento do Kit de Coleta de Dados Figura 20 - Caso de Uso do Software de Pós-processamento Figura 21 - Diagrama de Entidade e Relacionamento Figura 22 - Diagrama de Classe Figura 23 - Invólucro Figura 24 Arquivos armazenados no cartão SD Figura 25 Dados de tensão coletados pelo kit de coleta Figura 26 Monitoramento da corrente pelo kit de coleta Figura 27 FFT de uma onda quadrada Figura 28 Relatório de Qualidade... 53

9 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Pinos de comunicação SPI Tabela 2 Classificação CEBEMA Tabela 3 Classificação dos distúrbios Tabela 4 Pinos de entrada e saída do microcontrolador

10 LISTA DE SIGLAS NCET- Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas UP Universidade Positivo CA Corrente Alternada PC Personal Computer (Computador Pessoal) A/D Conversor analógico-digital. RMS/rms Média quadrática do sinal senoidal. SAG Queda da tensão rms. CI Circuito integrado. SWELL Aumento da tensão rms. AmpOp Amplificador Operacional.

11 LISTA DE SÍMBOLOS - ohm Vrms Tensão média quadrática Vpp Tensão pico a pico Vp Tensão de pico Mips Milhões de instruções por segundo Ksps Quilo amostras por segundo.

12 CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO Atualmente, cada vez mais equipamentos eletrônicos e elétricos estão automatizando e simplificando diversas tarefas tanto na produção industrial quanto no nosso dia a dia. Com esta nova era, existe um constante crescimento da demanda de energia elétrica para alimentar os mais diversos aparelhos eletroeletrônicos. Para suprir esta demanda e manter a qualidade, passou a ser necessário monitorar a qualidade da energia elétrica entregue ao consumidor final. Para este monitoramento são utilizados diversos parâmetros técnicos, desde parâmetros básicos como continuidade do fornecimento (interrupção contínua), assim como parâmetros mais complexos como a presença de harmônicas no sinal de tensão (ABRACOPEL, 2008). No Brasil ainda não existe uma norma específica para qualidade de energia, porém a maioria dos equipamentos de análise de qualidade de energia utiliza a norma européia EN Esta norma define os parâmetros de medição da energia elétrica para que seja possível indicar a qualidade da energia elétrica entregue. Pela falta de uma norma específica brasileira, este projeto utilizou-se desta norma (EN50160) como base para o levantamento das informações a serem analisadas (FLUKE, 2006)(MINIPA, 2005). Para realizar tal monitoramento, este projeto propõe o desenvolvimento de um sistema autônomo que seja capaz de armazenar as informações de tensão e corrente em um dispositivo de memória de estado sólido por um período de pouco mais de um dia. Após este período, os dados desta memória devem ser transferidos para um computador com um software desenvolvido especialmente para este projeto, que irá ler estas informações coletadas e convertê-las em informações úteis na análise da qualidade da energia elétrica. Para elaboração deste trabalho, são utilizados conceitos de várias áreas, desde a modulação do sinal para entrega da energia elétrica aos consumidores até o mecanismo de armazenamento de arquivos em cartões de memória compactos, esta monografia irá abordar estes conceitos de forma sucinta e aplicada ao desenvolvimento de um analisador autônomo de qualidade de energia com processamento em software. 12

13 CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Este projeto envolveu pesquisas e conhecimentos nas áreas de cálculo, circuitos digitais, circuitos analógicos, sistema de armazenamento de dados e análise de sinais contínuos. Na seqüência será apresentado um breve estudo sobre os principais conceitos abordados neste projeto. 2.1 Alimentação CA As grandezas da natureza são quase sempre analógicas, ou seja, possuem uma gama imensa de valores diferentes para uma variável, logo na energia elétrica não poderia ser diferente. A produção de energia elétrica em grandes escalas para alimentar cidades, utiliza-se da transformação de energia mecânica em energia elétrica. Como se trata de um processo mecânico rotatório, ou seja, oscilatório, a energia elétrica gerada neste processo será também oscilatória, este efeito oscilatório da tensão faz com que a corrente também oscile na mesma proporção, daí o nome, Corrente Alternada (CA). Na Figura 1, podemos observar o processo de geração de corrente alternada, onde um anel metálico é exposto a um campo magnético, e após sua rotação um campo elétrico cíclico induz uma corrente alternada. (FRAGNITO, 2005). Figura 1 - Geração de Corrente Alternada Fonte: CEPA - Centro de Ensino e Pesquisa Aplicada (2008) 13

14 2.2 Sensores de Corrente Para medição da corrente em um condutor, existem basicamente duas formas distintas: Invasiva e não invasiva. A medição invasiva utiliza-se da lei de Ohm, que afirma que a tensão sobre um resistor é diretamente proporcional a corrente que passa sobre ele, ou seja, qualquer condutor por mais puro que seja possui uma mínima resistência, então se constata que um condutor também é um resistor, logo para se medir a corrente que flui sobre este condutor, basta medir a tensão sobre ele. Mas, este tipo de medição não é a mais adequada para uma corrente relativamente alta, isto porque, para se conseguir uma medida com uma precisão razoável precisaria de um condutor com uma resistência um pouco mais alta, que segundo a lei de Joule dissiparia mais potência na forma de calor, consumindo então parte da energia que trafega pelo condutor (BAPTISTA, 2004). Já a medição não invasiva faz a leitura do campo magnético em torno do condutor. Segundo a lei de Faraday, uma corrente pode ser induzida em um circuito por um campo magnético e viceversa. Partindo desse ponto, chega-se a conclusão que é possível medir a corrente sobre um condutor somente com a leitura do campo magnético em torno deste. Como circuitos digitais e analógicos trabalham somente com sinais de corrente ou tensão, para se realizar a leitura do campo magnético é necessário convertê-lo novamente em corrente ou tensão, porém já em um circuito isolado do condutor que originalmente produziu a corrente (BAPTISTA, 2004). O efeito Hall foi descoberto em 1879 por E.H. Hall, que submeteu um condutor elétrico a um campo magnético perpendicular a direção da corrente elétrica. Hall verificou que uma diferença de potencial elétrico aparecia nas laterais deste condutor na presença do campo magnético. Este efeito ocorre devido a cargas elétricas tenderem a desviar-se de sua trajetória por causa da força de Lorentz. Desta forma, cria-se um acúmulo de cargas nas superfícies laterais do condutor produzindo uma diferença de potencial. Apesar do efeito Hall existir em qualquer material condutor, seu efeito é mais intenso em materiais semicondutores. Entretanto, os semicondutores apresentam variações de lote para lote, necessitando de um circuito eletrônico auxiliar para ajustar o sinal do efeito Hall para um valor calibrado do campo magnético. Em um sensor de corrente, a transformação do campo magnético em corrente para depois transformá-la em tensão é realizada de forma eletrônica em um circuito integrado. Porém, como o campo magnético flui em todas as direções, no sensor de corrente utiliza-se um condutor magnético que concentra este campo em uma determinada área, este condutor magnético é conhecido como ferrite. O circuito integrado do sensor de corrente varia a tensão sobre um de 14

15 seus pinos proporcionalmente à corrente que passa sobre o condutor elétrico no centro conforme Figura 2 (HONEYWELL, 2008). Figura 2 - Sensor de corrente por efeito Hall Fonte: Honeywell CS Series Sensors (2008) 2.3 Conversor A/D. No Brasil, a rede elétrica possui uma variação de tensão de 60Hz, ou seja, há uma variação de 60 vezes em um segundo da tensão entre o pico positivo e negativo,formando um senóide com diversos valores intermediários (ANEEL, 2001). Como este projeto utiliza-se da computação digital para armazenar e processar os dados, é necessário então converter esses diversos valores que a tensão assume no tempo, em valores digitais. Para esta conversão é utilizado um conversor Analógico/Digital, daí a sigla A/D, que quantifica esses diversos valores em uma escala de valores discretos, conforme pode ser visto na Figura 3 onde um sinal analógico com milhares de amplitudes intermediárias é amostrado em valores pré-definidos (parte superior da figura), para então serem processados de forma discreta com amplitudes constantes (pare inferior da figura). (NATIONAL INSTRUMENTS, 2008) Os valores analógicos de tensão devem ser atenuados para que o conversor A/D possa amostrálos, para isso é necessário utilizar um transformador, que isola galvanicamente e reduz a tensão CA para um valor menor. Adicionalmente através de amplificadores operacionais é possível adequar o sinal para a leitura do A/D (VASCONCELOS, 2008). 15

16 Figura 3 - Amostragem de um sinal analógico 2.4 Amplificador Operacional. Como normalmente o A/D possui uma referência de tensão independente do sinal que irá amostrar, é necessário casar estas duas referências, para isto utiliza-se um CI (circuito integrado) Amplificador Operacional. Este CI também conhecido como AmpOp possui uma infinidade de aplicações na eletrônica analógica, porém para este projeto ele é utilizado na configuração subtrator. Nesta configuração o AmpOp produz um único sinal em sua saída que é a diferença entre os dois sinais na entrada (Figura 4) (VASCONCELOS, 2008). Após o sinal ser tratado por um ou mais amplificadores, o sinal já está adequado a entrada do A/D. 16

17 Figura 4 Esquema de uma Amplificador Operacional na forma subtrator 2.5 Microcontrolador Cada vez mais os equipamentos eletrônicos estão menores e mais poderosos. Os microcontroladores, são com certeza uma das maiores provas da miniaturização de circuitos complexos em somente uma pastilha (FERREIRA, 2003). Por sua portabilidade para desenvolver os mais diversos sistemas, os microcontroladores modernos são utilizados desde os equipamentos sofisticados como injeções eletrônicas a pequenos brinquedos infantis. Um microcontrolador é formado basicamente por um processador, uma memória de programa e uma memória de trabalho; porém, os microcontroladores modernos já possuem também conversores A/D internos, sensor de temperatura entre outros. Um microcontrolador funciona a partir de um programa chamado firmware. Este programa de baixo nível tem acesso direto ao hardware do microcontrolador, sendo capaz de ler qualquer valor nas entradas do microcontrolador. Além da possibilidade de adquirir valores do mundo externo, o hardware também fornece ao firmware, timers (temporizadores) (FERREIRA, 2003). Pensando em economia de energia e funcionamento com bateria, os microcontroladores modernos possuem também modos de funcionamento de baixo consumo. Isto pode ser muito útil para sistemas embarcados que necessitam que um microcontrolador funcione com alimentação da bateria por longos períodos. 17

18 Figura 5 - Microcontrolador C8051F410 Fonte: C8051F410/1/2/3 Data Sheet (2007) Os microcontroladores também possuem diversas interfaces com outros dispositivos digitais, como por exemplo memórias especializadas. Através de pinos dedicados o microcontrolador é capaz de se comunicar facilmente com uma memória externa armazenando dados processados pelo seu firmware em uma memória não volátil.o microcontrolador C8051F410 da Silicon Labs (Figura 5) une o poder de processamento aliado a um poderoso AD interno, com um Core de 50 Mips e um A/D de 12 bits a 120ksps este microcontrolador se destaca frente a outros por unir o melhor poder de processamento a um custo de desenvolvimento reduzido, já que este core engloba o A/D interno evitando circuitos interfaceadores adicionais, além de possuir um ambiente de desenvolvimento de firmware em linguagem C (SILICON LABS, 2007). 2.6 Memória não Volátil O armazenamento de dados em memória não-volátil, ou seja, que não dependa de energia elétrica para se manter, nas primeiras versões era feito de uma forma bem rudimentar. A primeira forma de se armazenar dados computacionalmente sem a exigência de alimentação foram os cartões perfurados. Como se pode imaginar, continham diversas falhas e exigiam uma perícia do operador que não podia desordená-los (fisicamente) de forma alguma, pagando o preço de perder toda a informação contida neles. O sistema de leitura/escrita era feito mecanicamente com pequenos pinos que atravessavam os cartões para marcá-los ou lê-los. Posteriormente surgiu o sistema de armazenamento magnético, este sistema bem mais compacto utiliza-se de superfícies magnetizadas e densamente povoadas com pequeníssimos bastões de 18

19 ferro; um cabeçote de leitura/gravação alinha magneticamente estes bastões para gravar e faz a leitura da polaridade dos mesmos quando necessita ler os dados. Este sistema sofreu grandes avanços tecnológicos e perdura até hoje em HDs e fitas de backup, porém podem deixar a desejar na velocidade de acesso aos dados. Nestes tempos em que os volumes de dados armazenados e lidos são da ordem dos bilhões, os dispositivos magnéticos podem estar chegando ao final de sua vida (FELITTI, 2007). Os dispositivos óticos como CDs e DVDs nunca chegaram a serem cogitados como alternativa para armazenamento volátil de constante alteração, isto porque, o sistema de gravação dos mesmos ainda é muito lento frente ao magnético e também ainda são pouco compactos (MCLEAN, 2008). Nos últimos anos, surgiu um novo sistema de armazenamento não-volátil, conhecido como memórias flash. Este novo tipo de memória vem revolucionando o mercado de dispositivos eletrônicos, isto porque elas são rápidas, compactas, consomem pouca energia e seu custo de produção vem sendo reduzido a cada dia Graças a estas novas memórias, máquinas de fotografia digital, tocadores compactos de música e até eletro-domésticos puderam evoluir consideravelmente. Por possuir uma interface de comunicação já digital e não ter partes mecânicas, este tipo de memória pode ser embarcada nos mais diversos lugares, desde televisores até ar-condicionados e carros. Essa enorme gama de utilidades surge do conceito básico de armazenar informações para mais tarde serem lidas sem ter que manter uma alimentação elétrica neste período. Hoje em dia já é possível encontrar dispositivos de memória que utilizam memórias flash a um preço de menos de um centavo por megabyte, este valor que há pouco mais de 3 anos era aproximadamente 10x mais caro (IDG NEWS SERVICE). Diversas empresas já produzem comercialmente este tipo de memória no formato cartão, de fácil desacoplamento. Podem-se citar três formatos mais utilizados de cartões de memória flash: CompactFlash, Memory Stick e SecureDigital - SD. O CompactFlash criado pela SanDisk surgiu inspirado nos cartões PCMCIA dos note-books, sua interface de comunicação é bem próxima ao PCMCIA, por trabalhar com memórias flash de alta velocidade, foram largamente utilizados em câmeras digitais e filmadoras, crescendo o olho de poderosas empresas de eletrônicos como a Sony, que pouco tempo depois criou o Memory Stick. O Memory Stick lançado e mantido pela Sony funciona de forma muito semelhante ao SD, mas é utilizado somente em dispositivos Sony, isto porque, a Sony mantém altos custos de royaltes para a utilização do mesmo, e também a Sony mantém sua arquitetura e protocolo não aberto (CARDSPEED, 2006). O SD surgiu como evolução do MMC (MultMediaCard), na época do seu lançamento foi dado como solução para proteger os direitos autorais da indústria da música, porém, hoje já muito 19

20 difundido acabou tendo seu dispositivo de proteção de arquivos (principalmente músicas) muito pouco utilizado (CARDSPEED, 2006). O SD possui algumas variações de tamanho, porém seu modo de funcionamento é basicamente o mesmo. 2.7 SPI SPI (Serial Peripheral Interface) é uma interface de comunicação inter-dispositivos simplificada e amplamente utilizada com microcontroladores assim como o SMBus e o I2C. Ela funciona no formato mestre-escravo, ou seja, um dispositivo tem o controle sobre a comunicação e faz a leitura e a escrita conforme Figura 6 (SCHWERDTFEGER, 2000). Figura 6 - Comunicação Master/Slave A interface SPI pode ser utilizada trabalhando com mais que um escravo, porém não suporta grandes distâncias. Ela também trabalha em full-duplex e utiliza somente uma fonte de clock vinda do mestre. Por trabalhar em uma arquitetura serial, é flexível aos mais diversos microcontroladores, de 8 bits, 16 bits e 32bits, graças a esta arquitetura serial, pode-se endereçar memórias de até 4Gb (desde que seja possível desenvolver um firmware para o mesmo). Na Tabela 1, podem-se observar os pinos de comunicação da interface SPI. (CARDSPEED, 2006). O SPI trabalha com um clock de até 70MHz, muito útil para utilização da comunicação com memórias flash. Partindo-se desta premissa, o cartão de memória SD implementa a comunicação SPI além do seu protocolo nativo SDIO. O cartão de memória SD, trabalha no modo SPI a uma freqüência de 25MHz e 50Mhz para cartões ultra rápidos (CARDSPEED, 2006). Tabela 1 Pinos de comunicação SPI Pino Pino Nome Descrição Microcontrolador Cartão SD SCLK P5 Serial Clock Clock Geral 20

21 MOSI P2 (Master Output Slave Input Envia dados do servo para o escravo. MISO P7 Master Input Slave Output Recebe dados do escravo para o servo. SS P1 Slave Select Habilita o dispositivo escravo em nível baixo. 2.8 FAT 16 FAT (File Allocation Table), é a estrutura mais simples que um sistema de arquivos pode ser armazenado em um dispositivo. Originalmente desenvolvido para trabalhar com microcomputadores pessoais de baixa performance, este tipo de sistema de arquivos perdura até hoje em dispositivos simples (MICROSOFT CORPORATION, 2000). O FAT por se tratar de um sistema de arquivos simples, pode ser escolhido como o melhor sistema de arquivos para um dispositivo compacto, por isso as fabricantes de tocareres de músicas portáteis e máquinas digitais utilizam o FAT como sistema de arquivos padrão para armazenamento de dados, tornando-se o FAT, uma espécie de sistema de arquivos universal para armazenamendo de dados em dispositivos portáteis. Todos os sistemas de arquivos FAT foram desenvolvidos originalmente para a arquitetura IBM PC. A importância disto é que o sistema de arquivos FAT armazenado na estrutura de dados do disco é todo little endian, ou seja, bytes em endereços menores são menos significativos. Se observar para uma entrada FAT32 armazenada em um disco como uma série de 4 bytes, sendo primeiro o byte 0 e o último o byte 3, teremos 32 bits numerados de 00 até 31 (onde 00 é o bit menos significativo e 31 é o bit mais significativo) armazenados da seguinte maneira: Byte[3] = 31,30,29,28,27,26,25,24 Byte[2] = 23,22,21,20,19,18,17,16 Byte[1] = 15,14,13,12,11,10,09,08 Byte[0] = 07,06,05,04,03,02,01,00 Isto é importante, pois se a máquina é big endian será necessário traduzir os dados de big para little endian conforme são lidos ou armazenados dados no disco (MICROSOFT CORPORATION, 2000). 21

22 O volume do sistema de arquivos FAT é dividido em quatro regiões básicas, que estão armazenadas nesta ordem no volume: 0 Região Reservada 1 Região FAT 2 Região do diretório root 3 Região de arquivos e diretórios A primeira estrutura de dados importante de um volume FAT é chamada de BIOS Parameter Block (BPB), que está localizada no primeiro setor do volume na Região Reservada. Este setor é algumas vezes chamado setor de boot, setor reservado ou setor 0, mas o mais importante é que este é o primeiro setor do volume (MICROSOFT CORPORATION, 2000). A próxima estrutura importante é a FAT propriamente dita. Esta estrutura define uma lista de extensões (clusters) de um arquivo. Um apontamento para um diretório FAT é nada mais do que um arquivo regular com um atributo especial indicando que isto é um diretório. Outra informação importante sobre diretórios é que o conteúdo do arquivo é uma série de entradas de diretório (32 bytes). A FAT mapeia a região de dados do volume através do número do cluster. O primeiro cluster de dados é o cluster 2. Para calcular o início da região de dados é necessário primeiramente calcular a quantidade de setores que o diretório root ocupa, conforme fórmula apresentada na eq 1. RootDirSectors = (( BPB_RootEntCnt * 32 ) + ( BPB_BytsPerSec 1 )) / BPB_BytsPerSec; (eq. 1) O início da região de dados, o primeiro setor do cluster 2, é calculado da seguinte maneira, conforme fórmula apresentada na eq 2. FirstDataSector = BPB_ResvdSecCnt + ( BPB_NumFATs * FATSz16 ) + RootDirSectors; (eq. 2) Um diretório FAT é nada mais do que um arquivo composto de uma lista linear de estruturas de 32 bytes. O único diretório especial que sempre deve estar presente é o diretório root. Para volumes FAT12/16 o diretório root está localizado em uma região fixa, logo após a última estrutura FAT e possui um tamanho fixo de setores (RootDirSectors). Para FAT12/16 o primeiro setor do diretório root é relativo ao primeiro setor do volume FAT e pode ser calculado conforme segue a fórmula: 22

23 FirstRootDirSecNum = BPB_ResvdSecCnt + ( BPB_NumFATs * BPB_FATSz16 ); (eq. 3) A partir do primeiro cluster de um arquivo pode ser calculado o setor onde este arquivo está localizado, conforme fórmula apresentada na eq. 3. ThisFATSecNum = BPB_ResevdSecCnt + (( DIR_FstClusLO * 2 ) / BPB_BytsPerSec ); (eq. 3) Os demais setores, são a seqüência dos arquivos que devem ser lidos segundo o tamanho do arquivo. 2.9 Qualidade da Energia Elétrica Qualidade da energia elétrica representa uma série de fatores técnicos relacionados à tensão, corrente e freqüência fornecida ao consumidor final. O termo qualidade da energia pode ser visto também como a preservação de padrões previamente estabelecidos por normas técnicas vigente no país. Para um bom funcionamento dos equipamentos eletroeletrônicos, estas normas abrangidas pelo termo qualidade da energia, devem ser minuciosamente respeitadas, já que estes equipamentos foram projetados seguindo limites estabelecidos nas mesmas normas. A não preservação destas pode danificá-los, em especial os aparelhos mais sofisticados e conseqüentemente os mais caros. Entretanto, não são só os aparelhos mais avançados tecnologicamente sofrem com uma possível queda de qualidade da energia elétrica; equipamentos de maior potência que exigem grandes correntes, também podem ser danificados por uma rede elétrica de baixa qualidade, isso porque muitas vezes, podem estar consumindo energia elétrica de forma ineficiente diminuindo a sua vida útil (ALDABÓ, 2001) Distúrbios de Alta Freqüência na Rede Elétrica Estes distúrbios são muito comuns, e são os mais visíveis na rede elétrica em dias de tempestade, isso porque, os raios, são na maiorias das vezes os grandes causadores de danos nos equipamentos elétricos. E uma queda de um raio sobre a rede elétrica ou nas proximidades fatalmente vai provocar um transiente, que acaba danificando aparelhos mais sensíveis, como telefones sem fio e fax modems. 23

24 Os distúrbios de alta freqüência são eventos que ocorrem na energia elétrica em um tempo menor que 16 ms, ou seja, numa freqüência superior à freqüência fundamental de 60Hz. Estes distúrbios na maioria das vezes não provocam uma reação imediata nos equipamentos elétricos porém, dependendo da sua intensidade ou permanência podem provocar um mau funcionamento de um equipamento ou no pior caso danificá-lo (ALDABÓ, 2001). Os distúrbios de alta freqüência podem ser classificados em quatro grupos (ALDABÓ, 2001): Impulso Unidirecional Impulso Oscilatório Eventos Repetitivos Eventos de Modo Normal e Comum. Os impulsos unidirecionais são transientes em somente uma polaridade, e oscilatórios são impulsos que afetam as duas polaridades, e não são cíclicos (Figura 7). Figura 7 - Impulsos unidirecionais Fonte: ENGECOMP Tecnologia em Automação e Controle Ltda. Os eventos repetitivos são também impulsos, porém possuem uma freqüência de repetição constante. Normalmente, este tipo de evento é causado por equipamentos que fazem chaveamento de alta freqüência na rede, como por exemplo retificadores chaveados com SCRs (Figura 9), que causam pequenos picos sobre a senóide original da rede elétrica (HAFNER, 2005). 24

25 Figura 8 Transientes Fonte: ENGECOMP Tecnologia em Automação e Controle Ltda. Os eventos de modo normal, ocorrem sobre fase-terra simultaneamente, por isso dificilmente causa maiores danos, já que os equipamentos elétricos utilizam o terra como referencial (ALDABÓ, 2001) Harmônicos e Distorções da forma de onda A palavra harmônico foi originalmente definida em acústica, significando a vibração de um fio ou coluna de ar com freqüências múltiplas a freqüência fundamental provocando um ruído sonoro, afetando a qualidade do som resultante. Este mesmo fenômeno comum no som é válido também para ondas eletro-magnéticas (ALDABÓ, 2001). Uma rede elétrica de corrente CA, precisa necessariamente fornecer uma tensão puramente senoidal, que de fato acontece quando a carga sobre esta tensão é linear, porém para cargas não lineares normalmente esta onda que deveria ser puramente senoidal passa a sofrer deformações que geram harmônicas sobre a freqüência fundamental da rede (ALDABÓ, 2001). Como qualquer sinal periódico pode ser representado como um somatório de senóides, um sinal com uma senóide pura é representada por somente esta senóide, já um sinal senoidal deformado é representado por um somatório de várias senóides de freqüências diferentes múltiplas da freqüência fundamental; estas senóides adicionais causadas pelas distorções diminuem a eficiência dos equipamentos (ALDABÓ, 2001). Os harmônicos ímpares, ou seja, múltiplos ímpares da freqüência fundamental, prevalecem sobre os pares. No caso da freqüência fundamental de 60Hz, são harmônicos de terceira ordem: 180Hz, quinta: 300Hz, sétima: 420Hz, e assim por diante. Estes harmônicos causam problemas em equipamentos que trabalham diretamente com a onda senoidal, como por exemplo, motores; os harmônicos podem provocar uma perda do desempenho nestes motores, e até uma degradação de sua estrutura, já que estes foram projetados para trabalhar com uma tensão puramente senoidal (ALDABÓ, 2001). 25